《FrontiersinEnergyResearch》：柔性鈣鈦礦太陽能電池中鎳氧化物傳輸層和鈣鈦礦活性層的光子固化研究：大規(guī)模生產(chǎn)

背景：

鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的高通量卷對(duì)卷(R2R)制造目前受到每個(gè)熱過程需要數(shù)十分鐘的限制，轉(zhuǎn)化為不切實(shí)際的長時(shí)間退火工具。此外，PSCs通常由需要高溫?zé)嵬嘶鸬慕饘傺趸飩鬏攲硬牧现瞥?。在這里，我們展示了使用光子固化而不是熱退火來制造PSCs，直接將NiOx從溶膠-凝膠前體轉(zhuǎn)化為空穴傳輸層，并在柔性Willow?玻璃襯底上結(jié)晶甲基碘化鉛銨(MAPbI3)活性層。光子固化使用短而強(qiáng)的光脈沖以高速加工材料，因此它與R2R制造兼容。我們實(shí)現(xiàn)了光子固化NiOx和MAPbI3薄膜制成的PSCs的正向掃描功率轉(zhuǎn)換效率(PCEs)為11.7%，反向掃描功率轉(zhuǎn)換效率為10.9%。此外，NiOx和MAPbI3薄膜都可以用單個(gè)光子固化脈沖處理，網(wǎng)速為5.7m/min，并且仍然可以產(chǎn)生與熱退火對(duì)照樣品相當(dāng)?shù)腜CE?；诿總€(gè)薄膜的單脈沖光子固化條件，我們預(yù)計(jì)網(wǎng)速為26m/min，為鈣鈦礦太陽能組件的高通量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)介紹：

鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSC)效率在過去十年中大幅提高，單結(jié)器件的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)超過25%(NREL,2019)。鹵化物鈣鈦礦可以用溶液法沉積并在低溫下加工，使其成為柔性基材上卷對(duì)卷(R2R)印刷工藝的良好候選(Lietal.，2018;Jenaetal.，2019)。1.5米寬的卷材以30米/分鐘的卷材速度移動(dòng)，PSC的R2R加工可以為單個(gè)R2R裝配線提供高達(dá)4吉瓦/年的功率(EMC,2020)。溶液沉積方法，包括印刷(噴墨、絲網(wǎng)、凹印、柔印)和涂層(刀片、槽模、噴霧)方法，已經(jīng)開發(fā)出來，可以超過10米/分鐘，因此它們與R2R制造兼容(s?undergaard等人，2013;Abbeletal.，2018)。然而，用于PSCs的金屬氧化物電子傳輸層(ETLs)和空穴傳輸層(HTLs)通常需要高溫(＞100℃)退火步驟才能完全達(dá)到所需的電子性能。

高溫退火會(huì)導(dǎo)致襯底損壞或機(jī)械故障，特別是在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低的塑料襯底上加工時(shí)。此外，塑料基板通常具有與透明導(dǎo)電氧化層不匹配的熱膨脹系數(shù)，這可能導(dǎo)致這些層在加工過程中開裂或分層。最近，人們?cè)诮档徒饘傺趸锊牧系耐嘶饻囟纫詫?shí)現(xiàn)柔性塑料基板上的制造方面做出了重大努力(Shinetal.，2019)。降低熱退火溫度是朝著正確方向邁出的一步，但典型的熱退火工藝要求樣品在數(shù)十分鐘的高溫下，這是實(shí)現(xiàn)所需R2R速度的主要瓶頸。例如，在卷材速度為30米/分鐘的情況下，退火時(shí)間為20分鐘，則需要在爐內(nèi)的卷材長度為600米。如此大的熔爐將需要巨大的R2R系統(tǒng)物理空間，釋放大量多余的熱量，并推動(dòng)制造成本上升最近受到廣泛關(guān)注的一個(gè)有前途的熱退火替代方案是光子固化，或強(qiáng)脈沖光退火(施羅德等，2006)。在光子固化中，來自短(0.03-100ms)寬帶光脈沖(200-1,500nm)的能量在薄膜樣品的吸光層內(nèi)選擇性地轉(zhuǎn)化為熱，從而產(chǎn)生快速的轉(zhuǎn)化和反應(yīng)。雖然強(qiáng)度可以很高，但由于脈沖持續(xù)時(shí)間短，總能量很低。與熱退火相比，光子固化的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是加工時(shí)更短，并且與低耐熱性、透明基板兼容。光子固化已被用于燒結(jié)印刷金屬納米顆粒油墨，以在柔性基材上制造導(dǎo)電痕跡(施羅德,2011;Akhavanetal.，2017)。它也被證明分別在柔性和剛性基材上制造來自溶膠-凝膠前體的ZrO(Daunis等22人，2020)和HfO(Tetzner等人，2014)介電膜。對(duì)于PSC一些研究小組已經(jīng)證明光子固化可以轉(zhuǎn)化鈣鈦礦活性層(Laveryetal.，2016;Troughtonetal.，2016;Muydinov等人，2018;Xuetal.，2020)。另外，光子2固化也有報(bào)道用于制造介孔或致密的TiO(Dasetal.，2016;Felekietal.，2017;Luoetal.，2017)或SnO(Zhuetal.，2017)熱退火鈣鈦礦活性2層的etl。最近，Ghahremani等人(2020)將光子固化應(yīng)用于干燥納米粒子etl，并在同一設(shè)備上結(jié)晶三陽離子鈣鈦礦活性層，每層使用多個(gè)脈沖。然而，到目前為止，還沒有研究將溶膠-凝膠前體的金屬氧化物半導(dǎo)體用光子固化轉(zhuǎn)化為PSC中的傳輸層。

溶膠-凝膠前驅(qū)體膜需要高退火溫度(NiO為~250℃)才能形成致密的半導(dǎo)體金屬氧化物膜(劉等，2018)。到目前為止，大多數(shù)關(guān)于NiOHTLs低溫加工的報(bào)道都使用了預(yù)x合成的NiOHTLs晶體懸浮液(Yinetal.，2016;Zhang等人，2017)。納米晶體的預(yù)合成需要額外的、耗時(shí)的處理步驟，這增加了制造成本(Wangetal.，2017)。因此，開發(fā)一步法將其溶膠-凝膠前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為NiOHTL是有利的。在本報(bào)告中，我們展示了在柔性氧化銦錫(ITO)涂層的康寧Willow?玻璃(WG)襯底上使用光子固化從硝酸鎳溶膠-凝膠前驅(qū)膜轉(zhuǎn)化NiOxHTLs。之所以選擇硝酸鎳作為NiOHTL的溶膠-凝膠前驅(qū)體，是因?yàn)橄跛徭嚾苣z-凝膠前驅(qū)體比其他常用的NixOHTL前驅(qū)體具有更低的分解溫度(SupplementaryFigureS1;劉等，2018;Sunetal.，2019)。因此，使用光子固化將硝酸鎳前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為致密的金屬氧化物膜所需的能量更少。

在這項(xiàng)研究中，我們制作了倒置平面p-i-n結(jié)構(gòu)的PSC，其器件結(jié)構(gòu)從下到上依次為:WG/ITO/NiOx/甲基碘化鉛(MAPbI3)/苯基-c-丁酸甲酯(PC61BM)/bathocuproine(BCP)/Al。我們演示了NiOHTxL和MAPbIactive3層在同一器件上的光子固化，即沒有任何熱退火步驟的器件，并實(shí)現(xiàn)了與所有層都經(jīng)過熱退火處理的器件相當(dāng)?shù)男阅?。我們還揭示了與在1毫米玻璃/ITO基板上相比，在WG/ITO基板上制造的PSC性能下降的原因。通過消除我們工藝中的所有熱退火步驟，我們將總退火時(shí)間從55分鐘減少到11秒。此外，我們表明NiOHTLs可以x僅用單個(gè)光子固化脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步將兩層的總退火時(shí)間減少到2ms。最后，我們討論了使用商業(yè)上可用的工業(yè)設(shè)備達(dá)到所需R2R網(wǎng)絡(luò)速度的途徑。通過首次應(yīng)用光子固化將兩層PSC從前體轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品，本工作展示了一種制造柔性PSC的方法，有利于升級(jí)到高通量制造。

引用：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2021.640960/full